Способ измерения температурного коэффициента линейного расширения

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью теплофизических измерений, а именно к способам измерения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Согласно заявленному способу измерения температурного коэффициента линейного расширения твердых тел изготавливают одинакового размера образцы из эталонного и исследуемого материала. В трубку дилатометра устанавливают образец из эталонного материала и два упирающихся концами в противоположные поверхности образца толкателя с установленными на их свободных концах возвращающими зеркалами интерферометра. С помощью печи дилатометра нагревают, а потом охлаждают эталонный образец по определенной программе. При этом одновременно замеряют с помощью термопары изменение температуры образца и непрерывно регистрируют общее удлинение системы «эталонный образец - толкатели». В каждый интересующий момент непрерывной регистрации определяют удлинение толкателей путем вычитания расчетного удлинения эталонного образца из общего удлинения системы «эталонный образец - толкатели». Заменяют эталонный образец на исследуемый образец, который нагревают и охлаждают по той же программе, что и эталонный, при этом непрерывно регистрируют общее удлинение системы «исследуемый образец - толкатели». В каждый интересующий момент регистрации определяют удлинение исследуемого образца путем вычитания из общего удлинения системы «исследуемый образец - толкатели» удлинения толкателей, полученные ранее при той же температуре нагрева или охлаждения эталонного образца. По удлинению исследуемого образца и величине температуры его нагрева определяют величину среднего интегрального ТКЛР исследуемого материала. Значения температуры и результаты обработки интерферограмм записывают синхронно в память ПЭВМ. Линейные перемещения толкателей могут регистрироваться с помощью двух индикаторных головок, при этом общее удлинение образца и толкателей определяют как сумму показаний индикаторных головок. Технический результат - снижение погрешностей при измерении ТКЛР исследуемого материала. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью теплофизических измерений, а именно к способам измерения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР).

Известен способ измерения температурного коэффициента линейного расширения материала (пат. РФ №2551694, G01N 25/16, опубл. 27.05.2015), заключающийся в том, что в кварцевую пробирку устанавливают образец и кварцевый толкатель, упирающийся концом в поверхность образца, кварцевую пробирку соединяют с неподвижной осью индикаторной головки через переходник, выполненный из кварца, приводят в контакт со свободным концом толкателя подвижную ось индикаторной головки, нагревают образец до требуемой температуры, фиксируют показания индикаторной головки через необходимые интервалы времени, после достижения установленной температуры прекращают нагрев, записывают показания индикаторной головки при последовательном медленном охлаждении образца, а ТКЛР определяют по формуле αср=ΔL/(L⋅ΔT)+0,55⋅10-6.

Недостатком известного способа является его низкая точность определения ТКЛР, так как не учитывается изменение величины ТКЛР по длине толкателя из-за большого перепада температур, а используемая поправка для учета погрешности от расширения кварцевой пробирки, которое на длине образца не компенсируется расширением кварцевого толкателя, принимается только по усредненному значению ТКЛР кварцевого стекла (0,55⋅10-6), в то время как в обозначенном диапазоне температур нагрева (от 20 до 1050°C) ТКЛР кварцевого стекла существенно изменяется. Кроме того, не учитываются погрешности, возникающие из-за температурных деформаций элементов индикаторной головки, переходника и деталей их крепления.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения температурного коэффициента линейного расширения материала (Аматуни А.Н. Методы и приборы для определения температурных коэффициентов линейного расширения материалов - М.: Издательство стандартов, 1972 - с. 96-99), который выбран в качестве прототипа. Известный способ измерения ТКЛР твердых тел путем сравнения относительных удлинений исследуемого материала и эталонного материала с известным ТКЛР заключается в том, что в дилатометре устанавливают исследуемый образец и выполненный из эталонного материала толкатель, упирающийся концом в поверхность образца, нагревают и охлаждают образец по определенной программе, замеряют одновременно изменение температуры образца и удлинение исследуемого материала относительно удлинения эталонного материала, равного длине образца, определяют удлинение образца путем коррекции измеренной величины удлинения на расчетную величину удлинения эталонного материала, равного длине образца, а по удлинению образца и величине температуры его нагрева в каждый интересующий момент определяют величину ТКЛР исследуемого материала.

Недостатком этого способа является то, что величину и характер изменения ТКЛР эталонного материала - сапфировых стержней, при нагревании и охлаждении необходимо определять с помощью отдельной установки, что весьма проблематично в виду значительной их длины. Эти сложности вносят погрешности в определение расчетной величины удлинения эталонного материала. При использовании схемы с одним толкателем возникают дополнительные погрешности, связанные с температурными деформациями неподвижной упорной стенки, взаимодействующей с образцом. Отмеченные погрешности оказывают влияние на точность определения величины ТКЛР исследуемого материала. Кроме того, использование длинных сапфировых стержней, изготовленных с высокой точностью, и использование для измерения перемещений нанесенных на сапфировые стержни решеток (сеток) с малым шагом определяет высокую стоимость известного способа.

Задачей изобретения является снижение погрешностей и материальных затрат при измерении температурного коэффициента линейного расширения исследуемого материала.

Поставленная задача решается за счет получения ряда технических результатов. Устраняются погрешности, связанные с воздействием неподвижной упорной стенки, взаимодействующей с образцом, а также погрешности, возникающие из-за высокого градиента температур в звеньях измерительной системы. Используемые образцы эталонного и исследуемого материала имеют небольшие размеры, а их конструктивные параметры (форма, размеры) и параметры установки образца имеют большие допуски, которые не влияют на точность изменений.

Указанные технические результаты достигаются следующим образом.

Изготавливают одинакового размера образцы из эталонного и исследуемого материала. В дилатометре устанавливают эталонный образец и два упирающихся концами в противоположные поверхности образца толкателя с установленными на их свободных концах возвращающими зеркалами интерферометра. Нагревают эталонный образец по определенной программе. В процессе нагрева одновременно замеряют изменение температуры образца и непрерывно регистрируют с помощью интерферометра общее удлинение системы «эталонный образец - толкатели». В каждый интересующий момент непрерывной регистрации определяют удлинение толкателей путем вычитания расчетного удлинения эталонного образца из общего удлинения системы «эталонный образец - толкатели». По достижению наибольшей заданной температуры нагрев прекращают, а регистрацию измеряемых параметров продолжают в процессе охлаждения. Заменяют эталонный образец на исследуемый образец, нагревают и охлаждают исследуемый образец по той же программе, что и для эталонного образца, при этом непрерывно регистрируют общее удлинение системы «исследуемый образец - толкатели». В каждый интересующий момент регистрации определяют удлинение исследуемого образца путем вычитания из общего удлинения системы «исследуемый образец - толкатели» удлинения толкателей, полученные ранее при той же температуре нагрева эталонного образца. По удлинению исследуемого образца и величине температуры его нагрева в каждый интересующий момент определяют величину ТКЛР исследуемого материала.

На фиг. 1 изображена оптико-механическая схема, поясняющая реализацию описываемого способа, на фиг. 2 - оптико-механическая схема в случае измерения линейных перемещений толкателей с помощью индикаторных головок.

Способ осуществляется следующим образом.

Изготавливают одинакового размера образцы 1 из эталонного и исследуемого материала. В трубку 2 дилатометра, выполненную из огнеупорного материала, устанавливают образец 1 из эталонного материала и два упирающихся концами в противоположные поверхности образца 1 толкателя 3 и 4 с установленными на их свободных концах возвращающими зеркалами 5 и 6 интерферометра 7, включающего в себя также лазер 8 и поворотные зеркала 9. С помощью печи 10 дилатометра нагревают эталонный образец 1 по определенной программе. В процессе нагрева одновременно замеряют с помощью термопары 11 изменение температуры образца 1 и непрерывно регистрируют с помощью считывающего устройства 12 интерферометра 7 общее удлинение системы «эталонный образец - толкатели». В каждый интересующий момент непрерывной регистрации определяют удлинение толкателей 3 и 4 путем вычитания расчетного удлинения эталонного образца 1 из общего удлинения системы «эталонный образец - толкатели». По достижению наибольшей заданной температуры нагрев прекращают, а регистрацию измеряемых параметров продолжают в процессе охлаждения. Заменяют эталонный образец на исследуемый образец, нагревают и охлаждают исследуемый образец 1 по той же программе, что и для эталонного образца, при этом непрерывно регистрируют общее удлинение системы «исследуемый образец - толкатели». В каждый интересующий момент регистрации определяют удлинение исследуемого образца 1 путем вычитания из общего удлинения системы «исследуемый образец - толкатели» удлинения толкателей 3 и 4, полученные ранее при той же температуре нагрева эталонного образца. По удлинению исследуемого образца и величине температуры его нагрева в каждый интересующий момент определяют величину среднего интегрального ТКЛР исследуемого материала по формуле

αср=ΔL/(Lст⋅ΔТ),

где Lст - длина образца при стандартной температуре Тст=20°C;

ΔT=T1-Tст - изменение температуры T1 образца относительно стандартной температуры Тст;

ΔL=Li-Lст - удлинение образца при изменении его температуры на величину ΔT.

Для удобства обработки полученных данных значения температуры и результаты обработки интерферограмм записывают синхронно в память ПЭВМ 13.

При отсутствии возможности использования интерферометра измерение линейных перемещений толкателей 3 и 4 может производиться с помощью двух индикаторных головок 14 и 15, а общее удлинение образца и толкателей определяют как сумму показаний этих индикаторных головок.

Таким образом, за счет горизонтального расположения образца и двух толкателей устраняются погрешности, связанные с температурными деформациями неподвижной упорной стенки, взаимодействующей с образцом. Благодаря калибровке системы «эталонный образец - толкатели» с использованием в качестве эталонного образца стандартной меры ТКЛР (ГОСТ 8.018-2007) с известными характеристиками изменения ТКЛР в требуемом диапазоне температур, определяют зависимость общего удлинения толкателей от температуры. Так как удлинение исследуемого образца получают путем вычитания из общего удлинения системы «исследуемый образец - толкатели» определенного ранее удлинения толкателей, то все погрешности, связанные с большим градиентом температур и сложностью определения температурных деформаций вдоль толкателей, также устраняются. Использование двухсторонней системы измерения и точечного контакта толкателей с образцом позволяет снизить требования к точности изготовления и установки образца, что, в совокупности с небольшими размерами образца, существенно снижает затраты на его изготовление.

1. Способ измерения температурного коэффициента линейного расширения твердых тел путем сравнения относительных удлинений исследуемого материала и эталонного материала с известным температурным коэффициентом линейного расширения, заключающийся в том, что в дилатометре устанавливают образец и толкатель, упирающийся концом в поверхность образца, нагревают и охлаждают образец по определенной программе, замеряют одновременно изменение температуры образца и удлинение исследуемого материала относительно удлинения эталонного материала, равного длине образца, определяют удлинение образца путем коррекции измеренной величины удлинения на расчетную величину удлинения эталонного материала, равного длине образца, а по удлинению образца и величине температуры его нагрева в каждый интересующий момент определяют величину температурного коэффициента линейного расширения исследуемого материала, отличающийся тем, что изготавливают эталонный и исследуемый образцы одинакового размера, устанавливают в дилатометре эталонный образец и два упирающихся концами в противоположные поверхности образца толкателя с установленными на их свободных концах возвращающими зеркалами интерферометра, в процессе нагрева и охлаждения непрерывно регистрируют с помощью интерферометра общее удлинение системы «эталонный образец - толкатели», в каждый интересующий момент непрерывной регистрации определяют удлинение толкателей путем вычитания расчетного удлинения эталонного образца из общего удлинения системы «эталонный образец - толкатели», заменяют эталонный образец на исследуемый образец, нагревают и охлаждают исследуемый образец по той же программе, что и для эталонного образца, непрерывно регистрируют общее удлинение системы «исследуемый образец - толкатели», в каждый интересующий момент регистрации определяют удлинение исследуемого образца путем вычитания из общего удлинения

системы «исследуемый образец - толкатели» удлинения толкателей, полученные ранее при той же температуре нагрева эталонного образца.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что записи значений температуры и результатов обработки интерферограмм производят синхронно в память ПЭВМ.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение линейных перемещений толкателей производят с помощью двух индикаторных головок, а общее удлинение образца и толкателей определяют как сумму показаний этих индикаторных головок.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области исследования свойств и контроля качества полимеров в отраслях промышленности, производящих и использующих полимерные материалы, в частности для определения границ фазовых и релаксационных переходов в полимерных материалах.

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью теплофизических измерений, а именно к устройствам для измерения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР).

Изобретение относится к области исследования механических и тепловых свойств материалов. Способ определения температурного коэффициента линейного расширения материала предусматривает перемещение относительно друг друга образца исследуемого материала и источника нагрева поверхности образца.

Изобретение относится к способу и устройству определении давления распирания угля или угольной смеси путем лабораторного исследования. Осуществляют нагревание образца в виде угля или угольной смеси в перфорированной гильзе, находящейся внутри тигля.

Изобретение относится к области исследования физических свойств материалов и может быть использовано преимущественно в дилатометрии, например, для измерения коэффициента линейного расширения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений образца под воздействием температуры из различных материалов и для определения содержания углерода в углеродистых сталях.

Изобретение относится к области исследования свойств жидкости и может найти применение в нефтегазовой, химической промышленности и др. Для определения коэффициента объемного теплового расширения жидкости в ячейку калориметра помещают образец исследуемой жидкости и осуществляют ступенчатое повышение давления в ячейке с образцом исследуемой жидкости.

Изобретение относится к области теплофизики и может быть использовано при определении коэффициента термического расширения твердых тел. .

Изобретение относится к тепловым испытаниям материалов, а именно к способам определения коэффициента термического расширения пленочных образцов. .

Изобретение относится к области неразрушающего контроля. .

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью теплофизических измерений, а именно к устройствам для измерения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Дилатометр содержит камеру нагрева со съемной трубкой, в которой горизонтально установлены исследуемый образец и толкатели, плотно контактирующие с противоположными торцами образца, измерительные зеркала, закрепленные на концах толкателей и расположенные вне камеры нагрева, лазер и оптическую систему измерения удлинения образца. Для создания постоянного по величине и симметричного поджима толкателей к исследуемому образцу используется система поджима. В оптической системе для измерения удлинения образца использован интерферометр, включающий светоделитель, делящий луч лазера на рабочий и опорный лучи, четыре обводных зеркала для рабочего луча, возвратные зеркала для рабочего и опорного лучей соответственно и фотоприемник. Электрические сигналы от фотоприемника и термопары, регистрирующей температуру нагрева образца, передаются на ПЭВМ, где ведется их синхронная запись. Предварительно производится калибровка дилатометра с образцом из эталонного материала с известными характеристиками изменения ТКЛР в требуемом диапазоне температур. Для этого определяют удлинение толкателей путем вычитания расчетного удлинения эталонного образца из измеренного общего удлинения системы «эталонный образец - толкатели». Заменяют эталонный образец на исследуемый. При нагреве последнего по той же программе, что и для эталонного образца, определяют его удлинение путем вычитания из общего измеренного удлинения системы «исследуемый образец - толкатели» ранее полученного удлинения толкателей. По полученным данным определяют величину среднего интегрального ТКЛР. Технический результат - повышение точности измерения удлинения образца при определении ТКЛР исследуемого материала. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью теплофизических измерений, а именно к устройствам для измерения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Дилатометр содержит камеру нагрева со съемной трубкой, в которой горизонтально установлены исследуемый образец и толкатели, плотно контактирующие с противоположными торцами образца, измерительные зеркала, закрепленные на концах толкателей и расположенные вне камеры нагрева, лазер и оптическую систему измерения удлинения образца. Для создания постоянного по величине и симметричного поджима толкателей к исследуемому образцу используется система поджима. В оптической системе для измерения удлинения образца использован четырехходовой интерферометр, включающий поляризованный светоделитель, делящий луч лазера на рабочий и опорный лучи, две четвертьволновые пластины, поляризационную пластину, три поворотных зеркала, оптическую призму, четыре обводных зеркала для рабочего и опорного лучей, два возвратных зеркала и фотоприемник. Электрические сигналы от фотоприемника и термопары, регистрирующей температуру нагрева образца, передаются на ПЭВМ, где ведется их синхронная запись. Технический результат - повышение точности измерения удлинения образца при определении ТКЛР исследуемого материала 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначенной для измерения малых деформаций, в частности к емкостным дилатометрам, и может быть использовано для определения коэффициента линейного температурного расширения, пьезоэлектрического эффекта и магнитострикции. Емкостный дилатометр реализован на базе промышленного измерительного комплекса PPMS QD и содержит систему косвенных измерений линейной деформации путем измерения емкости измерительного конденсатора. Новым является то, что дилатометр снабжен дополнительными токовводами и понижающим редуктором, а также адаптирован под основной электрический разъем криостата PPMS QD для обеспечения стабилизации температуры в вакууме. Техническим результатом является обеспечение возможности измерения пьезоэлектрического эффекта и упрощение процедуры предварительной настройки натяжения мембраны. 4 ил.

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью теплофизических измерений, а именно к способам измерения температурного коэффициента линейного расширения. Согласно заявленному способу измерения температурного коэффициента линейного расширения твердых тел изготавливают одинакового размера образцы из эталонного и исследуемого материала. В трубку дилатометра устанавливают образец из эталонного материала и два упирающихся концами в противоположные поверхности образца толкателя с установленными на их свободных концах возвращающими зеркалами интерферометра. С помощью печи дилатометра нагревают, а потом охлаждают эталонный образец по определенной программе. При этом одновременно замеряют с помощью термопары изменение температуры образца и непрерывно регистрируют общее удлинение системы «эталонный образец - толкатели». В каждый интересующий момент непрерывной регистрации определяют удлинение толкателей путем вычитания расчетного удлинения эталонного образца из общего удлинения системы «эталонный образец - толкатели». Заменяют эталонный образец на исследуемый образец, который нагревают и охлаждают по той же программе, что и эталонный, при этом непрерывно регистрируют общее удлинение системы «исследуемый образец - толкатели». В каждый интересующий момент регистрации определяют удлинение исследуемого образца путем вычитания из общего удлинения системы «исследуемый образец - толкатели» удлинения толкателей, полученные ранее при той же температуре нагрева или охлаждения эталонного образца. По удлинению исследуемого образца и величине температуры его нагрева определяют величину среднего интегрального ТКЛР исследуемого материала. Значения температуры и результаты обработки интерферограмм записывают синхронно в память ПЭВМ. Линейные перемещения толкателей могут регистрироваться с помощью двух индикаторных головок, при этом общее удлинение образца и толкателей определяют как сумму показаний индикаторных головок. Технический результат - снижение погрешностей при измерении ТКЛР исследуемого материала. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх